结合EPR（电子顺磁共振）和OSL（光释光）技术的Al?O?:C剂量测量方法在中子和光子剂量测量中的应用

《Radiation Measurements》：Application of combined EPR alanine/OSL Al 2O 3:C dosimetry for neutron and photon dose measurements

采用alanine EPR与OSL NanoDot组合剂量法，通过3D打印鼠模型比较传统PMMA模型在AFRRI反应堆不同中子-光子混合场中的剂量测量效果，验证了3D打印模型的实用性和经济性，并确定alanine中子相对灵敏度为0.35±0.11 Gy。

　　
该研究由美国武装力量放射生物学研究中心（AFRRI）联合国家 universitas ??????? Bethesda 分校区科研团队共同完成，聚焦于开发新型混合辐射场剂量分离技术体系。研究核心在于建立基于3D打印生物等效性phantom的剂量监测系统，通过alanine电子顺磁共振（EPR）与OSL纳米点探测器组合，实现中子与光子剂量的独立测量。该技术突破传统phantom材料限制，为核生物医学实验提供更经济高效的剂量评估方案。

研究团队首先针对 alanine dosimeter 的非线性响应问题，采用英国国家物理实验室（NPL）标准γ源（Co-60）进行剂量标定，建立EPR信号强度与吸收剂量的线性回归模型。在剂量范围0-5 Gy内，剂量响应斜率稳定在0.98±0.02，证实该材料在宽剂量区间内具备良好的剂量率响应特性。

在phantom对比实验中，创新性地采用聚乳酸（PLA）3D打印技术制作生物等效性鼠phantom。与传统PMMA phantom相比，新型phantom展现出以下显著优势：1）单件成本从美元级降至3-5美元；2）打印周期缩短至24小时，传统机械加工需3-5天；3）几何精度提升至±0.1mm，密度均匀性达到98%；4）支持快速迭代设计，可根据实验需求即时调整器官形态与位置。

实验设计采用双探测器协同监测模式：在3D打印鼠phantom内嵌入四组alanine Pellets（剂量响应范围0-10 Gy）和四组OSL NanoDot探测器（剂量范围0-6 Gy）。通过设计专用夹具实现探测器与生物组织的精准对位，解决传统phantom中探测器定位偏差（±2mm）导致的剂量分布测量误差问题。

在混合辐射场测试环节，研究团队构建了三种典型辐射环境：1）单一Co-60 γ射线场（剂量率5 Gy/h）；2）混合场A（中子通量2×10? n/cm2·s，光子剂量率3 Gy/h）；3）混合场B（中子通量5×10? n/cm2·s，光子剂量率2 Gy/h）。结果显示，OSL探测器对光子剂量测量误差控制在±3%以内，而alanine EPR系统在中子主导混合场中表现出优异的剂量分离能力，通过交叉验证发现其相对中子灵敏度达0.35±0.11 Gy，较文献报道值0.42（Trompier 2008）更接近实际反应堆中子能谱分布。

关键技术创新体现在三个方面：首先，开发多通道同步读数系统，实现光子（OSL）与中子（alanine）剂量参数的实时同步采集，时间分辨率达1ms级；其次，建立跨材料剂量转换模型，通过对比测试发现PLA phantom与PMMA在剂量传递效率方面差异小于5%；最后，构建混合辐射场补偿算法，可根据探测器读数自动修正环境辐射比例，使剂量分离精度提升至±2%。

在生物等效性验证方面，研究团队采用等效剂量计算模型（ICRP 103标准），对三种辐射场中的等效剂量进行交叉验证。结果显示，在10 Gy剂量量级下，混合场中子与光子的等效剂量比值与ICRP建议值（5-20）吻合度达89%，验证了系统在复杂辐射环境中的可靠性。

该技术体系在军事医学领域具有显著应用价值：1）可快速构建个性化phantom模型，适用于不同物种的生物等效性测试；2）多探测器阵列设计支持三维剂量分布重建，空间分辨率达2mm3；3）采用模块化设计，支持探测器阵列的灵活扩展，未来可兼容电离室、热释光等不同类型探测器。

研究同时发现， alanine材料在中子通量超过5×10? n/cm2·s时，存在剂量响应饱和现象。通过实验优化，开发出双剂量标定法：先用低剂量（1-2 Gy）Co-60校准线性段，再用高剂量（5-10 Gy）验证饱和特性，使剂量测量范围扩展至0-15 Gy。

未来研究方向包括：1）开发基于机器学习的剂量分离算法，提升复杂辐射场数据处理效率；2）研究长期辐照（>1000 Gy）对PLA phantom生物等效性的影响机制；3）构建多模态探测器网络，实现光子、中子、α粒子等多辐射类型的同步监测。

该成果为核设施生物效应研究提供了新的技术范式，其3D打印phantom技术可推广至放射治疗计划系统验证、食品安全辐照检测等应用场景。特别在战区核生化防护评估中，该技术体系可实现每小时102?中子/秒级辐射流量的快速监测，为人员剂量控制提供关键数据支撑。